Flow Control Over an Airfoil : Physical Analysis of Transient Phenomena to Improve Performance and Maneuverability

par Armando Carusone

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Jacques Borée et de Christophe Sicot.

Le président du jury était Marianna Braza.

Le jury était composé de Guillaume Martinat, Mathieu Voisine.

Les rapporteurs étaient Ari Glezer, Nicolas Mazellier.

  • Titre traduit

    Contrôle d'écoulement sur profil d'aile : analyse physique des phénomènes transitoires pour l'augmentation des performances et de la manœuvrabilité


  • Résumé

    L’écoulement autour d’un profil NACA 0015 est contrôlé, par voie expérimentale, par l’utilisation de générateurs de tourbillons fluidiques pulsés (pulsed vortex generator jets-PVGJs). Une attention particulière est portée sur les effets transitoires survenant après l’actionnement. Le nombre de Reynolds, basé sur la longueur de la corde, est de 4.6x10^5. L’objectif principal est l’amélioration des performances et de la manœuvrabilité du profil d’aile et plus généralement des aéronefs. Afin de considérer toutes les phases du domaine de vol, le contrôle a été testées sur des configurations, dite "de bases", pour lesquelles l’écoulement est attaché (croisière) ou partiellement décollé (décollage, atterrissage) à la surface du profil. Dans toutes ces phases, des forces aérodynamiques instationnaires peuvent résulter de conditions d'écoulement en évolution rapide telles que des rafales ou des manœuvres. L'actionnement fluidique pourrait aider à atténuer ces charges instationnaires, mais pour augmenter l'efficacité du contrôle, nous devons optimiser le taux de variation des coefficients d’efforts et de moments du profil induits par l'actionnement. Pour cette raison, afin d’étudier les mécanismes physiques à l’œuvre dans les phases transitoires, la réponse à une impulsion unique (single-pulse), de durée inférieure au temps convectif sur la corde du profil, est étudiée en détail. Les résultats obtenus sont comparés à ceux résultant d’un actionnement de type "soufflage continu". Il est alors observé qu’un actionnement de type ‘impulsion unique’, sur une configuration décollée, peut augmenter (en fonction de la durée du pulse) le taux de variation d’effort jusqu’à 50% par rapport à un actionnement en soufflage continu. L’analyse des champs de pression pariétaux instationnaires sur le profil et des champs de vitesse, obtenus par vélocimétrie par images de particules (PIV), autour du profil, a montré le rôle prépondérant joué par la durée d’actionnement sur les gains obtenus. Ainsi, l’utilisation d’outils lagrangiens (exposant de Liapounov à temps fini - FTLE) pour la détection des décollements/recollements instationnaires a mis en évidence que la durée optimale d’actionnement (en termes de variation d’efforts) était liée aux mécanismes de recollement puis de décollement de l’écoulement sur l’extrados du profil. C’est pourquoi, les effets transitoires sur les configurations naturellement attachées sont beaucoup moins importants. Des études paramétriques ont été menées en particulier sur l’influence de la position de l’actionnement sur la corde du profil comparée à la position de la zone de séparation dans la configuration de base. On montre alors que les taux de variation obtenus sont nettement dégradés si l’actionnement se trouve dans la zone décollée. La durée optimale d’impulsion est donc obtenue par un contrôlé de la zone de séparation instationnaire sur l’extrados du profil. La compréhension des mécanismes physiques à l’œuvre dans le contrôle par impulsion unique (sur des temps courts) nous a permis enfin de mettre en place des stratégies de contrôle efficientes d’un point de vue énergétique (comparaison de la balance entre le gain aérodynamique et la dépense énergétique). En particulier, nous avons constaté qu'une stratégie de contrôle minutieusement affinée, consistant en la répétition périodique de l'impulsion unique, peut améliorer l'efficacité énergétique du control par rapport à un soufflage continu. Cette stratégie de contrôle périodique est également capable d'augmenter le taux initial de variation des charges par rapport au contrôle continu car elle exploite les effets bénéfiques liés à la formation d'une bulle de séparation entre deux impulsions successives. L'amélioration transitoire du taux de variation des charges obtenue dans ce travail pourrait être efficace dans les situations où une réponse rapide est nécessaire pour compenser les effets aérodynamiques instationnaires, comme lors d’une rafale ou de manœuvres rapides.


  • Résumé

    The flow around a NACA 0015 airfoil is experimentally controlled using pulsed vortex generator jets (PVGJs) at a chord-based Reynolds number of 4.6 × 105. A special focus is given to the transient effects occurring after the actuation onset. The main objective is the improvement of the performance and maneuverability of the airfoil and more generally of aircrafts. In order to take into account all the phases of the flight envelope, the control has been tested on "baseline" configurations where the flow is attached to (e.g. cruise) or partially separated (e.g. take-off, landing) from the airfoil surface. In all these phases, unsteady loads fluctuations might arise from continuously changing flow conditions such as gusts or rapid maneuvers. The fluidic actuation might help to alleviate these unsteady loads, but to increase the control effectiveness we need to optimize the variation rate of the forces and moment coefficients induced by actuation. For this reason, a detailed study of the transient phenomena occurring after the actuation onset in response to a single-pulse actuation, of duration smaller than the convective time over the airfoil, is carried out. The results of the single-pulse actuation are compared with those obtained from a steady actuation, both operated with the same maximum jet exit velocity.It is observed that a fine-tuned single-pulse actuation, over a partially separated airfoil, can improve the initial rate of variation of the aerodynamic loads by up to 50 % compared to the case of the steady blowing.The analysis of unsteady pressure fields on the airfoil surface and of the velocity fields, obtained using particle image velocimetry (PIV), around the airfoil, showed the preponderant role of the duration of the actuation on the gains obtained. The use of Lagrangian tools (finite-time Lyapunov exponent -FTLE) for the detection of unsteady flow detachments/reattachments showed that the optimal duration of actuation (in terms of loads variation) is associated with transient reattachment/detachment of the flow over the suction surface of the airfoil. Therefore, the transient effects on naturally attached configurations are much less important and the evolution of the loads is not strongly affected by the duration of the actuation. Parametric studies have been carried out to investigate the influence of the location of the actuation over the suction surface of the airfoil compared to the mean baseline separation point. We show that the rates of variation obtained are considerably decreased if the actuation is operated from inside the naturally separated zone. The optimal pulse duration is therefore obtained by a fine-tuned control of the formation and evolution of an unsteady separation region over the suction surface of the airfoil. The understanding of the transient physical mechanisms induced by single-pulse control has finally allowed us to develop energy-efficient control strategies (in terms of the trade-off between the aerodynamic gain and energy expenditure). In particular, we found that a fine-tuned control strategy,consisting of periodic repetition of the single-pulse, can improve the energy efficiency of the control compared to steady blowing. This periodic control strategy is, also, able to increase the initial rate of loads variation compared to the steady control because it exploits the beneficial effects associated with the formation of a separation bubble between successive pulses. The transient improvement of the rate of loads variation obtained in this work might be effective in situations where a fast time response is needed to compensate unsteady aerodynamic effects, such as in gusting flows or during rapid maneuvers.


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